CN104006352A - 制造多曲面透镜配光器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制造多曲面透镜配光器的方法，设计并制造由八个曲面组成的轴对称结构的多曲面透镜作为配光器来对LED路灯进行配光，得到矩形照明光斑，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：初步确定多曲面透镜的长度L、宽度D、高度H、以及LED路灯的安装高度h；步骤二：使用SolidWorks设计出由八个曲线组成的多曲面透镜的横截面并得到该横截面的结构参数；步骤三：将横截面纵向拉伸到长度L，得到完整的多曲面透镜模型；步骤四：将多曲面透镜模型导入光学设计软件Lighttools，进行模拟优化，得到优化后的多曲面透镜配光器的结构参数；以及步骤五：根据优化后的多曲面透镜配光器的结构参数，制备出多曲面透镜配光器。

Description

制造多曲面透镜配光器的方法

技术领域

本发明涉及照明系统的设计，具体涉及一种实现LED矩形配光的多曲面透镜配光器的制造方法。

背景技术

近年来，路灯照明系统在不断地更新发展，随着微电子与半导体发光技术的迅速发展，LED灯具以其低能耗、耐用等特性成为了近年来的关注热点。LED灯具的配光方式对灯具的光效有重要影响，以LED路灯为例，它属于朗伯型光源，对其进行配光并最终得到矩形照明光束可以有效地提高路灯在路面的照度。关于实现LED路灯矩形配光的方式，已经有很多发明，主要分为两类：第一类是利用复眼透镜对光源进行配光，如专利号为CN101169233A，名称为“LED照明系统的匀光装置”的专利；第二类是利用外部结构实现灯具的矩形配光，如专利号为CN102620240A，名称为“矩形配光反射器以及LED灯具”的专利。

但是，上述两种实现LED灯具矩形配光的技术方案均存在一定的缺陷：用复眼透镜方法配光时，LED光源需要经过两次透镜折射才能获得矩形光束，这造成大量的光能损失，导致光能利用率很低；利用外部反射器使LED灯具射出矩形光束的方法，虽然原理简单，但是需要在灯具中加入外部反射器，使灯具的体积较大，给安装造成不便。

发明内容

本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种采用SolidWorks计算透镜面的参数，从而制造出多曲面透镜配光器的方法，使该配光器的结构简单、体积小、光能利用率高。

本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：

本发明提供一种制造多曲面透镜配光器的方法，设计并制造由八个曲面组成的轴对称结构的多曲面透镜作为配光器来对LED路灯进行配光，得到矩形照明光斑，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据LED路灯的尺寸，初步确定多曲面透镜的长度L、宽度D、高度H、以及LED路灯的安装高度h；步骤二：使用SolidWorks设计出由八个曲线组成的多曲面透镜的横截面并得到该横截面的结构参数；步骤三：将横截面纵向拉伸到长度L，得到完整的多曲面透镜模型；步骤四：将多曲面透镜模型导入光学设计软件Lighttools，进行模拟优化，得到优化后的多曲面透镜配光器的结构参数；以及步骤五：根据优化后的多曲面透镜配光器的结构参数，制备出多曲面透镜配光器，

其中，步骤二包括以下步骤：步骤2-1，确定多曲面透镜的横截面的对称轴：绘制LED路灯的横截面，在LED路灯的横截面上选择两个边缘发光点S₁和S₂，边缘发光点S₁和边缘发光点S₂分别位于LED路灯的左端和右端，绘制线段S₁S₂的中垂线，并将该中垂线作为多曲面透镜的横截面的对称轴；步骤2-2，因为多曲面透镜的横截面关于对称轴对称，所以先设计得出多曲面透镜的横截面位于对称轴左侧的结构参数：步骤2-2-1，确定第一入射点P_n和第一出射点Q_n：根据矩形照明光斑的尺寸和多曲面透镜到矩形照明光斑的距离确定位于多曲面透镜的横截面最下方的第一曲线的宽度，和从第一曲线的左端点折射出的指向矩形照明光斑左端的第一出射光线T₁的方向，确定位于第一曲线上方的第二曲线与对称轴的交点A，使该交点A到线段S₁S₂的竖直距离等于安装高度h，根据边缘发光点S₁发出的光线被第二曲线和第一曲线两次折射后得到第一出射光线T₁，确定第一入射点P_n和第一出射点Q_n的位置参数，以及折射光线P_nQ_n的方向，第一出射点Q_n到对称轴的距离为第一曲线的宽度的一半，将第一入射点P_n作为第二曲线的左端点，将第一出射点Q_n作为第一曲线的左端点，步骤2-2-2，确定第二入射点P_n-1和第二出射点Q_n-1：在线段S₁S₂上边缘发光点S₁的右侧选择第二发光点S₃，该第二发光点S₃发出的光线经折射后成为第二出射光线T₂，根据矩形照明光斑的尺寸和多曲面透镜到矩形照明光斑的距离确定第二出射光线T₂的方向，根据第二发光点S₃发出的光线被第二曲线和第一曲线两次折射后得到第二出射光线T₂，确定位于第二曲线上的第二入射点P_n-1以及位于第一曲线上的第二出射点Q_n-1的位置参数，以及折射光线P_n-1Q_n-1的方向，步骤2-2-3，设计第一曲线和第二曲线：重复步骤2-2-2，分别计算出第二曲线左侧部分上的入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，和第一曲线左侧部分上的出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，直到P_m和Q_m位于对称轴上，用平滑的曲线连接入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，得到第二曲线在对称轴左侧的部分，用平滑的曲线连接出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，得到第一曲线在对称轴左侧的结构参数；步骤2-2-4，设计第三直线、第四曲线、以及第五曲线：使第三直线为水平直线，位于第一曲线左侧，第三直线的右端与第一曲线的左端相连，第三直线的左端到对称轴的距离为D/2，第四曲线的下端和第三直线的左端相连，第五曲线的下端和第二曲线的左端相连，第四曲线的上端和第五曲线的上端相交于点M，使该点M到横截面的最低点的竖直距离为高度H，采用SolidWorks计算出第四曲线和第五曲线的结构参数，使LED路灯的杂散光被第四曲线和第五曲线反射汇聚到矩形照明光斑；步骤2-3，计算多曲面透镜的横截面右侧的结构参数：利用SolidWorks将横截面在对称轴左侧的结构关于对称轴对称到右侧。

发明的作用与效果

本发明所提供的制造多曲面透镜配光器的方法，因为采用SolidWorks计算出多曲面透镜横截面的结构参数，再将该截面拉伸至预定的长度，得到完整的多曲面透镜的模型参数，然后在Lighttools中模拟多曲面透镜对LED路灯光线的折射情况，从而对多曲面透镜的模型参数进行优化，进而根据优化后的多曲面透镜的模型参数制造出多曲面透镜作为配光器，因此，采用该制造方法制造出的多曲面透镜配光器可以将LED路灯发出的光线折射成预先设定的矩形光斑。

采用该制造方法得到的配光器只包含一个多曲面透镜，减少了光源能量被配光器吸收造成的损耗，从而能够提高光能利用率；并且该配光器的尺寸很小，使包含该配光器的LED灯具安装非常方便。

附图说明

图1是多曲面透镜制造方法的流程图；

图2是LED路灯和多曲面透镜配光器的横截面的结构示意图；以及

图3是Lighttools模拟出的矩形照明光斑的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的制造多曲面透镜配光器的方法作详细阐述。

<实施例>

图1是多曲面透镜制造方法的流程图。

如图1所示，制造多曲面透镜配光器的方法包括以下步骤：

步骤S1：本实施例所采用的LED路灯的宽度为9mm，长度为8mm，为保证LED路灯发出的光线全部被配光器折射得到矩形照明光斑，并尽可能缩小配光器的尺寸，将多曲面透镜的宽度设置为LED路灯宽度的4～5倍，多曲面透镜的长度依照LED路灯的安装个数而定。在本实施例中，初步选定多曲面透镜配光器的长度宽度D＝40mm，高度H＝25mm，多曲面透镜的长度选定为L＝50mm，使多曲面透镜上方可以首尾相连地安装5个LED路灯。LED路灯的安装高度h定为9mm。

在本实施例中，多曲面透镜由超细聚甲基丙烯酸甲酯粉(PMMA)制成，对LED光线的折射率为1.49。

步骤S2：利用SolidWorks设计出多曲面透镜配光器的横截面，并得到该横截面的结构参数。包括以下步骤：

图2是LED路灯和多曲面透镜配光器的横截面的结构示意图。

步骤S2-1，确定多曲面透镜横截面的对称轴：如图1所示，LED路灯10灯芯的横截面的宽度为9mm，将LED路灯10灯芯的横截面的左右两端分别作为边缘发光点S₁、S₂，绘制线段S₁S₂的中垂线，将该中垂线作为多曲面透镜截面的对称轴11。

步骤S2-2，多曲面透镜的横截面关于对称轴11对称，故先设计多曲面透镜的横截面位于对称轴11左侧的结构：

步骤S2-2-1，确定第一入射点P_n和第一出射点Q_n：将位于多曲面透镜的横截面最下方的第一曲线12和位于第一曲线12上方的第二曲线13的宽度设定为LED路灯10灯芯横截面宽度的1.5倍左右，在本实施例中，LED路灯10灯芯的横截面宽度为9mm，则设定第一曲线12的的宽度为14mm，第二曲线13的宽度为13mm。

根据安装路灯的实际情况，将多曲面透镜距离地面的高度设定为4m，设定LED路灯10发出的光线被多曲面透镜折射后照射到地面得到的矩形照明光斑的尺寸为6m×8m，由此可以计算出边缘发光点S₁发出的光线被第二曲线13和第一曲线12依次折射后得到的第一出射光线T₁与对称轴11的夹角为30°。

确定第二曲线13与对称轴11的交点A，使交点A到线段S₁S₂的距离等于LED路灯的安装高度h＝9mm。

根据边缘发光点S₁发出的光线被第二曲线13和第一曲线12依次折射后得到第一出射光线T₁以及多曲面透镜的折射率，在SolidWorks中计算得到第一入射点P_n和第一出射点Q_n的位置参数，如图1所示，将第一入射点P_n作为第二曲线13的左端点，第一出射点Q_n作为第一曲线12的左端点，则第一入射点P_n到对称轴11的距离等于6.5mm，第一出射点Q_n到对称轴11的距离等于7mm。

步骤S2-2-2，确定第二入射点P_n-1和第二出射点Q_n-1：在边缘发光点S₁右侧选择一个第二发光点S₃，S₁到S₃的距离为2mm，根据LED路灯10灯芯宽度、第一曲线12和第二曲线13的宽度以及矩形照明光斑(图中未示出)对应于多曲面透镜横截面的尺寸(6m)，确定第二发光点S₃发出的光线经过第二曲线13和第一曲线12两次折射后得到的第二出射光线T₂与对称轴11的夹角为27°。

根据第二发光点S₃发出的光线被第二曲线13和第一曲线12两次折射后得到第二出射光线T₂，在SolidWorks中计算得到位于第二曲线13上的第二入射点P_n-1以及位于第一曲线12上的第二出射点Q_n-1的位置参数。

步骤S2-2-3，设计第一曲线12和第二曲线13：重复步骤S2-2-2，分别计算出位于第二曲线左侧上的入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，和位于第一曲线左侧上的出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，直到P_m和Q_m位于对称轴11上，用平滑的曲线连接入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，得到第二曲线13在对称轴11左侧的结构，用平滑的曲线连接出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，得到第一曲线12在对称轴11左侧的结构。

步骤S2-2-4，设计第三直线、第四曲线以及第五曲线：设定第三直线14位于第一曲线12的左侧，第三直线14的右端与第一曲线12的左端相连，第三直线14左端到对称轴11的距离等于多曲面透镜宽度D的一半，即D/2＝20mm。

设定第四曲线15的下端和第三直线14的左端相连，第五曲线16的下端和第二曲线13的左端相连，第四曲线15和第五曲线16的上端在点M处相连，并使点M到第一曲线12最下端的竖直距离等于多曲面透镜高度H的一半，即H/2＝12.5mm，使第四曲线15和第五曲线16将LED路灯10发出的杂散光折射到矩形照明光斑(图中未示出)上，由此采用SolidWorks计算出第四曲线15和第五曲线16的结构参数。

步骤S2-3，设计多曲面透镜的横截面位于对称轴11右侧的结构：将步骤S2-2得到的多曲面透镜的横截面左侧的结构参数关于对称轴11对称到右侧，即可得到完整的多曲面透镜横截面17的结构参数。

步骤S3：在SolidWorks中，将步骤S2-2获得的多曲面透镜的横截面17拉伸到长度L＝50mm，即可得到完整的多曲面透镜的结构参数。

步骤S4：将采用SolidWorks设计得到的多曲面透镜的结构参数导入到Lighttools，模拟多曲面透镜折射LED路灯发出的光线的过程。

图3是Lighttools模拟出的矩形照明光斑的示意图。

如图3所示，LED路灯发出的光线被多曲面透镜折射成近似矩形的照明光斑，Lighttools中设定的多曲面透镜到路面的距离较短，故得到的照明光斑尺寸较小。然后可以在Lighttools中对多曲面透镜的结构参数进行优化，使折射出的光线形成规则的矩形照明光斑。

步骤S5：用PMMA制作多曲面透镜毛坯，然后将步骤S4得到的优化后的多曲面透镜的结构参数输入金刚石车床的控制系统，用金刚石车床在多曲面透镜毛坯上切割出八个透镜面，得到多曲面透镜配光器。

实施例的作用与效果

本实施例提供的制造多曲面透镜配光器的方法，采用SolidWorks计算得到多曲面透镜的结构参数，然后导入Lighttools中模拟多曲面透镜折射LED路灯光线的情况，从而对多曲面透镜的结构进行优化，因此，根据优化后的多曲面透镜的结构参数制造出的多曲面透镜可以将LED路灯发出的光线折射得到规则的矩形照明光斑。在Lighttools中模拟多曲面透镜折射LED路灯光线的情况，还可以在加工之前就看到照明光斑的形状，根据照明光斑优化多曲面透镜的结构参数，获得理想的矩形照明光斑再进行多曲面透镜的加工，可以提高成品率，节省大量时间和原料。

采用本发明提供的制造多曲面透镜配光器的方法制造出的多曲面透镜配光器，只需使用一个多曲面透镜来实现LED路灯的矩形配光，大大降低了光源能量在多次折射过程中被配光器吸收而造成的光能损失；而且该多曲面透镜的尺寸只有40mm×25mm×50mm，使得该多曲面透镜配光器非常便于安装。

当然，本发明提供的制造多曲面透镜配光器的方法并不仅仅限定于以上实施例中所述的内容。

Claims (1)

1.一种制造多曲面透镜配光器的方法，设计并制造由八个曲面组成的轴对称结构的多曲面透镜作为配光器来对LED路灯进行配光，得到矩形照明光斑，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据所述LED路灯的尺寸，初步确定所述多曲面透镜的长度L、宽度D、高度H、以及所述LED路灯的安装高度h；

步骤二：使用SolidWorks设计出由八个曲线组成的所述多曲面透镜的横截面并得到该横截面的结构参数；

步骤三：将所述横截面纵向拉伸到所述长度L，得到完整的多曲面透镜模型；

步骤四：将所述多曲面透镜模型导入光学设计软件Lighttools，进行模拟优化，得到优化后的多曲面透镜配光器的结构参数；以及

步骤五：根据所述优化后的多曲面透镜配光器的结构参数，制备出所述多曲面透镜配光器，

其中，所述步骤二包括以下步骤：

步骤2-1，确定所述多曲面透镜的所述横截面的对称轴：绘制所述LED路灯的横截面，在所述LED路灯的横截面上选择两个边缘发光点S₁和S₂，所述边缘发光点S₁和所述边缘发光点S₂分别位于所述LED路灯的左端和右端，绘制线段S₁S₂的中垂线，并将该中垂线作为所述多曲面透镜的所述横截面的对称轴；

步骤2-2，因为所述多曲面透镜的所述横截面关于所述对称轴对称，所以先设计得出所述多曲面透镜的所述横截面位于所述对称轴左侧的结构参数：

步骤2-2-1，确定第一入射点P_n和第一出射点Q_n：根据所述矩形照明光斑的尺寸和所述多曲面透镜到所述矩形照明光斑的距离确定位于所述多曲面透镜的所述横截面最下方的第一曲线的宽度，和从所述第一曲线的左端点折射出的指向所述矩形照明光斑左端的第一出射光线T₁的方向，

确定位于所述第一曲线上方的第二曲线与所述对称轴的交点A，使该交点A到所述线段S₁S₂的竖直距离等于所述安装高度h，

根据所述边缘发光点S₁发出的光线被所述第二曲线和所述第一曲线两次折射后得到所述第一出射光线T₁，确定第一入射点P_n和第一出射点Q_n的位置参数，以及折射光线P_nQ_n的方向，所述第一出射点Q_n到所述对称轴的距离为所述第一曲线的所述宽度的一半，将所述第一入射点P_n作为所述第二曲线的左端点，将所述第一出射点Q_n作为所述第一曲线的左端点，

步骤2-2-2，确定第二入射点P_n-1和第二出射点Q_n-1：在所述线段S₁S₂上所述边缘发光点S₁的右侧选择第二发光点S₃，该第二发光点S₃发出的光线经折射后成为第二出射光线T₂，根据所述矩形照明光斑的尺寸和所述多曲面透镜到所述矩形照明光斑的距离确定所述第二出射光线T₂的方向，

根据所述第二发光点S₃发出的光线被所述第二曲线和所述第一曲线两次折射后得到所述第二出射光线T₂，确定位于所述第二曲线上的第二入射点P_n-1以及位于所述第一曲线上的第二出射点Q_n-1的位置参数，以及折射光线P_n-1Q_n-1的方向，

步骤2-2-3，设计第一曲线和第二曲线：重复所述步骤2-2-2，分别计算出所述第二曲线左侧部分上的入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，和所述第一曲线左侧部分上的出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，直到P_m和Q_m位于所述对称轴上，用平滑的曲线连接所述入射点P_n-2、P_n-3、……、P_m，得到所述第二曲线在所述对称轴左侧的结构参数，用平滑的曲线连接所述出射点Q_n-2、Q_n-3、……、Q_m，得到所述第一曲线在所述对称轴左侧的结构参数；

步骤2-2-4，设计第三直线、第四曲线以及第五曲线：使所述第三直线为水平直线，位于所述第一曲线左侧，所述第三直线的右端与所述第一曲线的左端相连，所述第三直线的左端到所述对称轴的距离为D/2，所述第四曲线的下端和所述第三直线的所述左端相连，所述第五曲线的下端和所述第二曲线的所述左端相连，所述第四曲线的上端和所述第五曲线的上端相交于点M，使该点M到所述横截面的最低点的竖直距离为所述高度H，采用SolidWorks计算出所述第四曲线和所述第五曲线的结构参数，使所述LED路灯的杂散光被所述第四曲线和所述第五曲线反射汇聚到所述矩形照明光斑；

步骤2-3，计算所述多曲面透镜的所述横截面右侧的结构参数：利用SolidWorks将所述横截面在所述对称轴左侧的结构关于所述对称轴对称到右侧。